Сможем ли мы использовать энергию квантового вакуума
Ткань пространства-времени пронизана вибрирующими квантовыми полями, известными как энергия вакуума. Она прямо здесь, куда бы мы ни посмотрели. Но сможем ли мы когда-нибудь что-нибудь извлечь из этого? Мы даже можем рассчитать силу этой энергии вакуума. Когда мы применяем правила квантовой механики, чтобы определить, насколько сильно вибрируют поля в изоляции, мы получаем... бесконечность. Все верно, каждый бит пространства-времени заполнен бесконечным количеством энергии. Это потому, что нет предела количеству вибраций, которые могут иметь эти поля. Малые вибрации, средние вибрации и большие вибрации - все это происходит в каждом квантовом поле одновременно.
Подождите, подождите — как поля могут обладать бесконечной энергией, но при этом обладать еще большей энергией для образования частиц? Чтобы ответить на этот вопрос, мы можем обратиться к умному эксперименту, разработанному голландским физиком Хендриком Казимиром.
Если вы возьмете две металлические пластины и приложите их очень-очень близко друг к другу, квантовые поля между этими пластинами должны вести себя определенным образом. Длины волн их колебаний должны идеально совпадать между пластинами, точно так же, как колебания гитарной струны должны соответствовать длине ее самой. В квантовом случае все еще существует бесконечное число колебаний между пластинами, но между пластинами не так много бесконечных колебаний, как снаружи пластин.
Используя некоторые хитроумные математические приемы, мы можем вычесть два вида бесконечностей и получить конечное число. Это означает, что снаружи двух пластин действительно больше квантовых колебаний, чем внутри этого места. Это приводит к выводу, что квантовые поля за пределами пластин сближают их, что называется эффектом Казимира. Мы можем измерить этот эффект и убедиться, что квантовые поля действительно существуют.
Вся эта теория и эксперименты приводят к поразительному выводу. Вся физика мира, каждое взаимодействие, каждый процесс и действие происходят на сцене, заполненной бесконечным количеством энергии вакуума. Какой бы странной ни казалась эта картина, она является результатом десятилетий исследований в области квантовой теории.
Прямо сейчас у нас нет возможности получить доступ к этой энергии и сделать с ней что-либо полезное. Это потому, что это состояние с самой низкой энергией во Вселенной. Чтобы выполнить работу, у вас должны быть различия в энергии, вам нужно черпать энергию из одного места, преобразовывать ее и направлять куда-то еще.
Мы не можем использовать энергию вакуума, потому что ниже ей некуда деваться. Это все равно, что пытаться заставить лифт подняться выше самого нижнего уровня в здании — он останавливается на первом этаже, потому что под ним больше нет этажей.
Что касается эффекта Казимира, то нам, в первую очередь, пришлось вложить энергию в систему, чтобы расположить пластины вместе. Когда пластины начинают двигаться, мы просто возвращаем энергию, которую вложили, без какого-либо прироста в производстве энергии.
В научно-фантастической вселенной существует множество идей, предлагающих использовать энергию вакуума для приведения в действие космического корабля или другого усовершенствованного двигателя. Хотя эти идеи противоречат устоявшейся физике, мы должны признать, что не до конца понимаем всю физику... особенно энергию вакуума. Самый главный признак того, что мы делаем что-то не так, связан не с субатомными масштабами, а с космическими.
В конце 1990-х годов астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Простейшим объяснением этого ускоренного расширения является энергия вакуума во Вселенной. Но поскольку мы можем измерить скорость расширения, мы можем использовать это для оценки общего количества энергии вакуума, и мы получаем примерно 6 х 10-12 джоулей на каждый кубический метр пространства.
Это... не бесконечность. Итак, у нас есть проблема. С одной стороны, у нас есть набор субатомных расчетов, предсказаний и измерений, которые говорят нам о бесконечном количестве энергии вакуума. С другой стороны, у нас есть космические измерения, которые говорят нам о том, что количество энергии вакуума очень, очень мало.
Что происходит? Мы понятия не имеем. Это одна из величайших нерешенных проблем современной физики. Если мы хотим найти способ использовать энергию вакуума, то сначала мы должны понять, что это такое на самом деле. Что бы мы там ни нашли, это будет связано с новыми видами физики, и кто знает, какие новые открытия откроются перед нами.
